[论文解读] Susceptibility of Orientationally-Ordered Active Matter to Chirality Disorder

Ventejou, Bruno, Chat\'e, Hugues+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Micro and Nano Robotics被引用 40

一句话总结

本研究探究了在手性无序下二维干性活性物质中长程有序相的稳定性，其中粒子具有内在的左转或右转倾向。通过粒子模拟与流体动力学理论，研究发现：在热力学极限下，均匀极性相与向列相对任意量的手性无序均不稳定，而无序的Vicsek条带可抵抗有限无序，揭示了有序相与条带相在鲁棒性上的根本差异。

ABSTRACT

We investigate the susceptibility of long-range ordered phases of two-dimensional dry aligning active matter to population disorder, taken in the form of a distribution of intrinsic individual chiralities. Using a combination of particle-level models and hydrodynamic theories derived from them, we show that while in finite systems all ordered phases resist a finite amount of such chirality disorder, the homogeneous ones (polar flocks and active nematics) are unstable to any amount of disorder in the infinite-size limit. On the other hand, we find that the inhomogeneous solutions of the coexistence phase (bands) may resist a finite amount of chirality disorder even asymptotically.

研究动机与目标

• 探究具有内在手性的群体无序对取向有序活性物质的敏感性。
• 确定在热力学极限下，长程有序相（极性和向列相）在手性无序下是否仍保持稳定。
• 比较在该类无序下，均匀有序相与非均匀条带相的鲁棒性差异。
• 从粒子模型推导流体动力学理论，以理解其潜在不稳定性。

提出的方法

• 使用连续时间方程模拟二维活性粒子，其速度恒定且具有随机对齐动力学。
• 通过从正态分布或双峰分布中抽取的粒子特异性固有旋转频率 ωi 引入手性无序。
• 采用具有周期性边界条件和有限系统尺寸（L = 256）的粒子级模拟，探索 (ω₀, Dr) 参数空间中的相图。
• 从粒子模型推导流体动力学理论，以解析分析有序解的稳定性。
• 使用有限尺寸标度法估算有序破坏的临界无序强度 ω₀*。
• 分析相图并识别出如涡旋、旋转极性团簇及活性泡沫等新兴相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无限尺寸极限下，手性无序是否会使二维活性物质中的长程有序相失稳？
• RQ2 在手性无序下，均匀极性与向列液相比，非均匀Vicsek条带相的鲁棒性如何？
• RQ3 手性无序在有序活性物质中引发何种流体动力学不稳定性？
• RQ4 能否通过有限尺寸标度法表征手性无序下从有序相到无序相的转变？
• RQ5 在手性无序下会涌现出哪些新相？它们与纯系统中的相有何不同？

主要发现

• 在热力学极限下，极性和向列均匀有序相对任意有限量的手性无序均不稳定。
• 有限尺寸模拟显示，有序丧失的临界无序强度 ω₀* 随系统尺寸满足 ω₀* ∼ L^−γ 关系，其中 γ ≈ 0.6，表明有序态无法在渐近极限下维持。
• 相比之下，共存区内的非均匀Vicsek条带相即使在无限尺寸极限下也能抵抗有限量的手性无序。
• 手性无序导致新相的出现，包括手性涡旋（正态分布无序）和旋转极性团簇（双峰分布无序），尤其在铁磁对齐下显著。
• 对于向列对齐，高无序下手性无序导致旋转极性团簇和活性泡沫结构的形成，而中等无序下向列涡旋仍能持续存在。
• 流体动力学分析证实，均匀有序解在手性无序下具有普遍不稳定性，与粒子模拟结果一致。